三種鵝絨藤屬植物引發劑篩選及其引發耐旱性研究

劉玲玲, 李政升, 劉 穎

(青海大學畜牧獸醫科學院,青海省高寒草地適應性管理重點實驗室/青海省青藏高原優良牧草種質資源利用重點實驗室, 西寧 810016)

青海省是我國生態大省,亦是國家首批生態文明先行區試點省份,但隨著全球氣候變化、降水錯位、草原退化加劇等問題的出現,對青海省內生態發展提出了重大挑戰[1]。眾多研究者在生態恢復發展重點及建議中提及優質鄉土草種的馴化選育是當前工作中的重難點,也是目前青海省生態發展及退化恢復工作的必經之路[2-3]。

地梢瓜(Cynanchumthesioides)、鵝絨藤(Cynanchumchinense)和華北白前(Cynanchumhancockianum)均為蘿藦科鵝絨藤屬植物,廣泛分布于青海、內蒙古、山西、陜西、甘肅等半干旱地區。地梢瓜為飼藥食兼用的多年生直立半灌木,多生長于山坡、沙丘或干旱山谷、荒地等處[4]。鵝絨藤為多年生纏繞草本植物,多生長于灌木叢、河畔或田梗邊[5]。華北白前為多年生直立草本植物,生長于山坡、草甸、溝谷及林緣等地。地梢瓜、鵝絨藤和華北白前以其廣泛的適應性和強勁的生命力為生態恢復中優質種質資源的馴化培育提供了選擇,但目前對這3種植物的研究主要集中在化學成分提取和藥理活性探索方面[6-8],對其原生生態適應性和栽培技術的相關研究尚屬空白,這直接或間接限制了3種優質植物資源巨大生態價值的挖掘和利用。但野生種質由于種種原因,其自然萌發率通常較低,而優質草種的成功建植取決于快速整齊的種子萌發[9]。故此,對上述3種優質鵝絨藤屬植物資源進行萌發測定及引發劑篩選等基礎性研究工作迫在眉睫。

種子萌發及幼苗生長是植物生命周期的第一階段,也是對外界環境最為敏感的階段之一[10]。在生產中,種子萌發和幼苗生長受到多種環境條件制約,干旱是主要制約因素之一。在此階段,干旱脅迫會通過產生低滲透勢阻止植物對水分的吸收從而抑制種子萌發和幼苗生長,進而使植物的整個生命周期受到影響,最終導致低產和劣質[11]。因此,技術性解決干旱造成的種子萌發受限是亟待探索的問題。

種子引發已被證實是一種可行的播前種子處理技術,可改善不利環境條件下種子萌發和幼苗生長性能[12-13]。引發的種子在生理上接近萌發階段,其種子活力、種苗外觀形態和種苗質量都有所提高,從而彌補了不同種子由于自身差異而導致的萌發不整齊和生長不一致的缺陷[14]。目前,多種引發劑已應用于實際生產中,其中以H2O、KMnO4、H3BO3、H2O2、PEG等引發劑應用最為廣泛[15]。此外,引發劑的引發效果亦受到植物種類的影響,相同引發劑在不同植物中的引發效應因植物種類的不同而有差異[16]。鑒于此,本研究以3種鵝絨藤屬植物野生種子為供試材料,經過引發處理篩選能優化其萌發的引發劑,在此基礎上進行干旱逆境下的引發檢驗,以期為后續地梢瓜、鵝絨藤和華北白前的人工引種栽培研究及實踐生產奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為野生地梢瓜、鵝絨藤和華北白前種子,均采自青海省海南藏族自治州貴德國家地質公園月亮灣內(東經101°53′,北緯36°09′,海拔2 050 m),該地屬高原大陸性氣候,無霜期258 d,年降水量400 mm左右,蒸發量1 500 mm左右,年平均氣溫7.2 ℃,年平均日照時數2 928 h,為典型的黃土高原與青藏高原過渡溝壑縱橫干旱區。

1.2 試驗設計

試驗分為兩個階段,第一階段為3種鵝絨藤屬植物有效引發劑篩選試驗。選用生產上常用的5種引發劑為試驗因素(表1),以未處理過的干種子作為對照,篩選3種引發效果最優的引發劑作為第二階段的引發因素。第二階段為引發劑處理后種子對干旱脅迫的響應效果研究。設引發劑和干旱兩個處理因素,其中引發劑為第一階段篩選出的3種引發效果最好的溶液,干旱設兩個水平,即N0和N1,用PEG-6000模擬(表1)。

1.3 試驗方法

試驗采用紙上發芽法,選取籽粒飽滿,大小均勻一致、無損傷的野生地梢瓜、鵝絨藤和華北白前種子,用5%次氯酸鈉溶液消毒15 min,用蒸餾水沖洗表面殘留化學物質后吸干表面水分,將其放入盛有不同引發劑的小燒杯中,浸泡24 h后,用蒸餾水反復漂洗種子4～5次,吸干表面水分。在每個鋪有雙層濾紙的培養皿中均勻鋪放50粒處理過的種子,加水或15% PEG(第一階段加水,第二階段加15% PEG)7 mL,并做好標記,每個處理3次重復。將培養皿置于光照培養箱(MGC-250,上海)中,萌發條件設為25 ℃/20 ℃(晝溫/夜溫),光周期12 h/12 h(光照/黑暗),光照強度1 250 lx。試驗期間每天補充適量水分(或15% PEG),并觀察、記錄發芽種子數量。試驗以幼根伸出種皮0.2 cm作為萌發標準。

1.4 測定指標

試驗結束后,從各處理的培養皿中選取10株具有代表性且生長一致的植株,用電子游標卡尺測量根長和芽長,隨后計算各處理下萌發率、發芽勢、發芽指數、活力指數、平均發芽時間和萌發整齊性指數[17-19],計算公式如下:

萌發率/%=(7 d內發芽種子數/供試種子數)×100%

(1)

發芽勢/%=(5 d內發芽種子數/供試種子數)×100%

(2)

(3)

活力指數=GI×S

(4)

(5)

(6)

式中,GI為發芽指數,Ni表示在第i天萌發的種子數量,Ti表示從試驗開始到第i天的時間,S為平均根長+平均芽長。

采用隸屬函數法對幾種引發劑引發效果進行綜合評價[20-21]。當測定指標為正向指標時,采用公式(7),當測定指標為負向指標時,采用公式(8),隸屬度的計算采用公式(9),代表種子萌發參數的平均隸屬值,其值越大代表該處理下引發效果越好。

X(μi)=(Xi-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(7)

X(μi)=1-(Xi-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(8)

隸屬度=∑(X(μ1)+X(μ2)+…+X(μn))/n

(9)

式中:Xi為鵝絨藤屬植物中i指標的測定值;i=1,2,3…n,Ximin為該指標測定值的最小值;Ximax為該指標測定值的最大值,n為測定指標數量。

1.5 數據分析

采用SPSS22.0、Microsoft Excel2017軟件進行數據統計與分析,采用Duncan法進行差異顯著性多重比較,采用Origin Pro2018軟件繪圖。每次試驗重復3次,數據以平均值±標準差表示,差異顯著性水平為p<0.05。

2 結果與分析

2.1 3種鵝絨藤屬植物有效引發劑篩選

2.1.1不同引發劑對3種鵝絨藤屬植物萌發的影響

不同引發劑處理后,種子萌發效果不同(表2)。地梢瓜種子的自然萌發率僅為52.67%,除S3外,其余引發處理均顯著提高其萌發率、發芽勢、發芽指數和活力指數,其中S4的引發效果最好,與S0相比,可使萌發率、發芽勢、發芽指數和活力指數分別上升77.20%,101.48%,111.36%和206.28%,S1、S2、S3、S4處理能顯著縮短地梢瓜種子的平均發芽時間,而S5處理能顯著提高其萌發整齊性指數。鵝絨藤種子的自然萌發率為93.33%,S3處理對其萌發有顯著抑制作用,而S2、S4、S5處理對其萌發有顯著促進作用,經過S2、S4和S5的引發處理,鵝絨藤種子的萌發率可達100%,尤其在S4處理下,其平均發芽時間縮短了1.07 d。華北白前種子的自然發芽率為90.00%,S3處理顯著降低其萌發率,但對其發芽勢沒有顯著影響,所有引發處理均顯著提高了其發芽指數,縮短了平均發芽時間,S2和S5處理顯著降低了種子的活力指數,但只有S2處理后種子的萌發整齊性指數顯著降低。

表2 引發劑處理后3種鵝絨藤屬植物的萌發參數

2.1.2不同引發劑對3種鵝絨藤屬植物根長和芽長的影響

不同引發劑處理對種子萌發后根長和芽長的影響不同,不同種子對同一引發劑的響應效果也不同(圖1)。于地梢瓜種子而言,S4處理能顯著促進芽的生長,與對照相比,可使芽長增加43.19%,而S2處理能顯著促進根的生長,可使根長增加132.01%,S3處理則對芽和根的生長均有顯著抑制作用,根長和芽長分別下降38.79%和39.07%,其余處理與對照之間差異不顯著。S1和S3處理對鵝絨藤種子萌發后芽和根的抑制作用顯著,S4處理既有利于芽的生長,又對根的生長有顯著促進作用,另外,S2處理也可顯著促進鵝絨藤根的生長。于華北白前而言,S1處理最有利于芽和根的生長,S3和S4處理對華北白前根的影響不顯著,但S3處理可顯著促進其芽的生長,S5處理對芽和根的生長均有顯著抑制作用。

圖1 引發劑處理對根長和芽長的影響

2.1.3隸屬函數綜合評價

對地梢瓜、鵝絨藤和華北白前的萌發率、發芽勢、發芽指數、活力指數、平均發芽時間、萌發整齊性指數6項萌發指標進行隸屬函數綜合評價,發現不同植物對引發劑的響應效果不同(表3)。對地梢瓜的引發效果S4>S5>S1>S2>S0>S3,對鵝絨藤的引發效果S4>S2>S5>S1>S0>S3,對華北白前的引發效果S1>S4>S5>S0>S3>S2。可以看出,對地梢瓜和華北白前引發效果最好的3種引發劑分別是H2O、0.3% H2O2和5% PEG,對鵝絨藤引發效果最好的3種引發劑分別是0.5% KMnO4、0.3% H2O2和5%PEG,將其分別作為后續3種鵝絨藤屬植物干旱脅迫試驗的引發劑。

表3 3種鵝絨藤屬植物萌發的隸屬函數綜合評價

2.2 3種鵝絨藤屬植物種子引發后對干旱脅迫的響應效果

2.2.1干旱脅迫下引發劑對3種鵝絨藤屬植物萌發的影響

干旱脅迫影響種子萌發,引發劑處理可改善干旱條件下種子萌發狀況(表4)。干旱脅迫對地梢瓜的萌發率和平均發芽時間沒有顯著影響,說明地梢瓜種子在干旱脅迫下能正常萌發。S1、S4和S5處理能顯著提高干旱脅迫下地梢瓜萌發率、發芽勢、發芽指數和活力指數,且S4處理能顯著縮短其平均發芽時間并提高萌發整齊性指數。干旱脅迫對鵝絨藤和華北白前的萌發均產生顯著影響,具體表現在萌發率、發芽勢、發芽指數、活力指數等萌發參數的降低,而引發劑處理可改善鵝絨藤和華北白前在干旱脅迫下的種子萌發受限情況,S2、S4和S5處理均能提高干旱脅迫下鵝絨藤的萌發率和發芽勢,縮短平均發芽時間,但S5處理的效果未達顯著水平。S1和S4能顯著改善華北白前在干旱逆境下的萌發狀況,使之與未引發相比,其萌發率、發芽勢、發芽指數和活力指數顯著上升,平均發芽時間明顯縮短,而S5則對其萌發產生不利影響,限制種子萌發生長。

表4 干旱脅迫下3種鵝絨藤屬植物種子引發后的萌發參數

2.2.2干旱脅迫下引發劑對3種鵝絨藤屬植物根長和芽長的影響

干旱脅迫對3種鵝絨藤屬植物根和芽的生長均有顯著抑制作用,而適當的引發劑處理可在一定程度上緩解這種抑制(圖2)。干旱脅迫下,地梢瓜、鵝絨藤和華北白前的根長分別下降32.36%,26.60%和73.52%,芽長分別下降46.93%,32.84%和75.50%。S1、S4和S5處理均可緩解干旱脅迫對地梢瓜根和芽生長的抑制,交互作用,其他同理。

圖2 干旱脅迫下引發劑處理對根長和芽長的影響

并且S1和S4的緩解效果達到顯著水平。S2和S4處理可緩解干旱脅迫對鵝絨藤根和芽生長的抑制作用,且S4的緩解效果達到顯著水平,能使鵝絨藤的根長和芽長分別增加25.05%和51.00%,而S5處理則抑制了其根和芽的生長,且對芽的抑制作用顯著。S1和S4處理均能促進干旱脅迫下華北白前根和芽的生長,并均達到顯著水平,S5則抑制了根和芽的生長,但與對照(S0N1)相比抑制作用不顯著。

2.3 物種、干旱脅迫、引發劑及其互作效應對種子萌發的影響

三因素方差分析表明,物種、干旱脅迫、引發劑及其互作效應對種子萌發和幼苗生長均有影響(表5)。物種、干旱脅迫和引發劑三因素交互作用對3種鵝絨藤屬植物萌發率和萌發整齊性指數的影響不顯著,其余因素及其交互作用對萌發率、發芽勢、發芽指數、活力指數、平均發芽時間和萌發整齊性指數的影響均達到極顯著水平。

表5 物種、干旱脅迫、引發劑及其互作效應對種子萌發的影響

3 討 論

種子引發主要是通過控制種子緩慢吸水,激活種子生理生化代謝和修復作用,使種子的細胞膜、細胞器酶活化處于預發芽狀態[22]。種子引發可縮短種子萌發時間,提高抗氧化酶活性,阻止或減少活性氧的不利影響,進而促進植物生長[23]。本研究發現,不同引發劑對地梢瓜種子萌發的促進效果為S4>S5>S1>S2>S0>S3,對鵝絨藤種子的引發效果S4>S2>S5>S1>S0>S3,對華北白前種子的引發效果S1>S4>S5>S0>S3>S2。可以看出,0.2 g/L H3BO3處理抑制了3種鵝絨藤屬植物的萌發生長,而王少平等[24]研究表明,0.2 g/L H3BO3對蜀葵(Althaearosea(Linn.) Cavan.)種子萌發有顯著促進作用,這與本研究的結果相反,說明不同植物對同一引發劑的響應效果不同,0.2 g/L H3BO3并不適合作為地梢瓜、鵝絨藤和華北白前的引發劑使用。0.5% KMnO4對華北白前有負向引發作用,但能顯著促進地梢瓜和鵝絨藤的萌發,這也說明了同一引發劑對不同植物的引發效果存在差異。H2O作為引發劑在生產中使用較廣,均能提高3種鵝絨藤屬植物萌發率和活力指數,縮短發芽時間,是一種低耗有效的引發劑。5% PEG可顯著促進3種植物種子萌發,肖爽等[25]的研究也得出了這一結論,PEG引發可增強種子內部抗氧化酶活性,降低脂質過氧化水平,進而促進種子萌發;但5% PEG對華北白前根和芽的生長有顯著抑制作用,可能是華北白前的干旱耐受性較差,雖然PEG引發激活了種子生理生化代謝過程,提高了萌發率,縮短了發芽時間,但抑制了種子活力,從而減慢了生長發育的速度。0.3% H2O2對3種鵝絨藤屬植物均有很好的引發效果,有研究推測H2O2作為信號分子可通過增強α-淀粉酶活性來改善種子萌發和活力[26]。

干旱是限制植物生長發育的主要非生物脅迫之一,缺水會增加細胞膜的通透性,引起K+外流,擾亂植物代謝,從而影響植物生長[27]。關正等[28]對苘麻的研究表明,低濃度干旱脅迫能促進種子萌發,而高濃度脅迫則會抑制或完全抑制萌發,原因可能是當水分充足時,種子會通過“積極回應”策略來促進自身萌發,相反種子則會通過“規避”策略來推遲自身萌發。本研究表明,15% PEG干旱脅迫顯著抑制了鵝絨藤和華北白前種子的萌發,具體表現在萌發率、發芽勢、發芽指數、活力指數等萌發參數的降低。15% PEG干旱脅迫對地梢瓜萌發率、平均發芽時間和萌發整齊性指數的影響不顯著,但其發芽勢、發芽指數和活力指數明顯受到抑制,說明地梢瓜對干旱逆境具有較強抵抗能力,在15% PEG干旱逆境下可正常萌發,但種子活力受到抑制,影響其后期生長。另外,干旱脅迫下3種鵝絨藤屬植物根和芽的生長均受到顯著抑制,可能是干旱脅迫減少了植物對水分的利用,抑制了根和芽頂端分生組織細胞的生長和分裂所致。

適宜的引發劑處理可改善植物在逆境脅迫下的生長狀況[29-30]。而種子引發可通過調節抗氧化防御系統來緩解干旱誘導的氧化損傷。Mazhar等[31]研究表明,SA、AsA和NaCl引發小麥種子,可通過上調抗氧化防御和乙二醛酶系統來提高小麥種子干旱耐受性,從而保證更好的幼苗建成。Akash等[32]研究發現,殼聚糖處理可改善綠豆幼苗的基本形態和生理特性,從而緩解不同水勢水平對綠豆種子的不利影響。本研究發現,5% PEG處理對干旱脅迫下華北白前種子萌發和幼苗生長產生抑制作用,對鵝絨藤的萌發無顯著影響,但抑制了其根和芽的生長,可能是干旱疊加超出了植物耐受范圍,從而不能有效發揮其引發價值。其余引發劑均能在不同程度上緩解干旱脅迫對3種鵝絨藤屬植物種子萌發和幼苗生長的抑制,其中以0.3% H2O2的緩解效果最佳。H2O2可以通過激活干旱脅迫下植物體內的細胞保護酶系統來抵制過多ROS對機體的傷害[33],但H2O2具有濃度效應,低濃度會促進種子萌發及幼苗生長,高濃度H2O2浸種會腐蝕種皮,減弱其通透性,最終抑制種子萌發和植株生長[34]。故此,在生產中應根據植物種類選擇適宜引發濃度,發揮其最大引發價值。由于本試驗于室內完成,與自然生境存在較大差異,故引發劑對干旱逆境下野外栽培植物生長發育、產量和品質的影響還需深入研究。

4 結 論

適宜的引發劑能顯著促進3種鵝絨藤屬植物種子萌發和幼苗生長,對地梢瓜和華北白前種子萌發促進效應最優的3種引發劑分別為H2O、0.3% H2O2和5% PEG,于鵝絨藤而言,最優的引發劑為0.5% KMnO4、0.3% H2O2和5% PEG。此外,適宜的引發劑處理能緩解干旱脅迫所導致的種子萌發受限,其中以0.3% H2O2的效果最佳,可將其作為實踐生產中的有效引發劑,具有廣闊應用前景。